Систем токсин-антитоксин

200пкс|мини|(A) Вертикални пренос гена система токсин-антитоксин. (B) Хоризонтални пренос гена система токсин-антитоксин. PSK означава убијање након сегрегације (енгл. post-segregational killing), а TA представља локус који кодира токсин и антитоксин. Систем токсин-антитоксин се састоји од „токсина” и одговарајућег „антитоксина”, који су обично кодирани блиско повезаним генима. Токсин је најчешће протеин, док антитоксин може бити протеин или РНК. Системи токсин-антитоксин су широко распрострањени код прокариота, а организми их често имају у више копија. Када се ови системи налазе на плазмидима — преносивим генетичким елементима — они осигуравају да само ћерке ћелије које наследе плазмид преживе након ћелијске деобе. Ако плазмид није присутан у ћерки ћелији, нестабилни антитоксин се разграђује, а стабилни токсични протеин убија нову ћелију; ово је познато као „убијање након сегрегације” (енгл. post-segregational killing - PSK).

Системи токсин-антитоксин се типично класификују према томе како антитоксин неутралише токсин. У систему токсин-антитоксин типа I, транслација информационе РНК (иРНК) која кодира токсин је инхибирана везивањем малог некодирајућег РНК антитоксина који се везује за иРНК токсина. Токсични протеин у систему типа II је инхибиран посттранслационо везивањем антитоксинског протеина. Системи токсин-антитоксин типа III састоје се од мале РНК која се директно везује за токсични протеин и инхибира његову активност. Постоје и типови IV, V и VI, који су мање уобичајени. Гени за токсин-антитоксин се често наслеђују кроз хоризонтални пренос гена и повезани су са патогеним бактеријама, а пронађени су на плазмидима који дају отпорност на антибиотике и вируленцију.

Постоје и хромозомски системи токсин-антитоксин, за које се сматра да обављају ћелијске функције као што су реаговање на стресове, изазивање застоја у ћелијском циклусу и покретање програмиране ћелијске смрти. У смислу еволуције, системи токсин-антитоксин могу се сматрати себичном ДНК јер је сврха ових система да се реплицирају, без обзира на то да ли доносе корист организму домаћину или не. Неки су предложили адаптивне теорије како би објаснили еволуцију система токсин-антитоксин; на пример, хромозомски системи токсин-антитоксин су могли еволуирати како би спречили наслеђивање великих делеција генома домаћина. Системи токсин-антитоксин имају неколико биотехнолошких примена, као што су одржавање плазмида у ћелијским линијама, мете за антибиотике, и као вектори за позитивну селекцију.

Биолошке функције

Стабилизација и фитнес мобилне ДНК Као што је горе наведено, системи токсин-антитоксин су добро окарактерисани као плазмидни модули зависности. Такође је предложено да су системи токсин-антитоксин еволуирали као плазмидни модули за искључивање. Ћелија која носи два плазмида из исте групе некомпатибилности ће на крају генерисати две ћерке ћелије које носе било који од плазмида. Уколико један од ових плазмида кодира ТА систем, његово „истискивање” другим плазмидним системом без ТА спречиће његово наслеђивање и тиме изазвати убијање након сегрегације. Ова теорија је потврђена кроз рачунарско моделовање. Системи токсин-антитоксин се такође могу наћи на другим мобилним генетичким елементима као што су конјугативни транспозони и умерени бактериофаги и могли би бити укључени у одржавање и компетицију ових елемената.

Стабилизација генома 400пкс|мини|Хромозомска мапа бактерије Sinorhizobium meliloti, са њених 25 хромозомских система токсин-антитоксин. Наранџасто означени локуси су потврђени ТА системи а зелене ознаке показују претпостављене системе.

Системи токсин-антитоксин би могли спречити штетне велике делеције у бактеријском геному, иако су делеције великих кодирајућих региона вероватно фаталне за ћерку ћелију у сваком случају. У бактерији Vibrio cholerae, показано је да више система токсин-антитоксин типа II смештених у супер-интегрону спречавају губитак генских касета.

Алтруистичка ћелијска смрт mazEF, локус токсин-антитоксина пронађен код E. coli и других бактерија, предложен је да индукује програмирану ћелијску смрт као одговор на гладовање, посебно на недостатак аминокиселина. Ово би ослободило садржај ћелије за апсорпцију од стране суседних ћелија, потенцијално спречавајући смрт блиских сродника, чиме би се повећао инклузивни фитнес ћелије која је страдала. Ово би био пример алтруизма и тога како би бактеријске колоније могле да личе на вишећелијске организме. Међутим, „ПЋС посредована са mazEF” је углавном оповргнута у неколико студија.

Толеранција на стрес Друга теорија наводи да су хромозомски системи токсин-антитоксин дизајнирани да буду бактериостатски пре него бактерицидни. RelE, на пример, који је глобални инхибитор транслације, индукује се током нутритивног стреса. Искључивањем транслације под стресом, он би могао да смањи шансу за гладовањем тако што ће смањити потребе ћелије за хранљивим материјама. Међутим, показано је да неколико система токсин-антитоксин, укључујући relBE, не пружа никакву конкурентску предност ни у једном услову стреса.

Анти-зависност Предложено је да хромозомски хомолози плазмидних система токсин-антитоксин могу служити као модули против зависности (енгл. anti-addiction modules), што би омогућило потомству да изгуби плазмид без трпљења ефеката токсина који он кодира. На пример, хромозомска копија ccdA антитоксина кодирана у хромозому бактерије Erwinia chrysanthemi је у стању да неутралише ccdB токсин кодиран на F плазмиду и тако спречи активацију токсина када се такав плазмид изгуби. Слично томе, ataR антитоксин кодиран на хромозому E. coli O157:H7 је способан да неутралише ataTP токсин кодиран на плазмидима који се налазе у другим ентерохеморагичним E. coli.

Заштита од фага Показано је да системи токсин-антитоксин типа III (AbiQ) алтруистички штите бактерије од бактериофага. Током инфекције, бактериофаги преузимају транскрипцију и транслацију, што би могло спречити обнављање антитоксина и ослободити токсин, покрећући оно што се назива „абортивна инфекција”. Слични заштитни ефекти примећени су код система токсин-антитоксин типа I, типа II, и типа IV (AbiE).

Абортивна иницијација (енгл. abortive initiation - Abi) се такође може десити без система токсин-антитоксин, а постоје и многи Abi протеини других типова. Овај механизам служи за заустављање репликације фага, штитећи целокупну популацију од штете.

Антимикробна перзистенција Када су бактерије изложене дејству антибиотика, мала и посебна субпопулација ћелија може да издржи третман захваљујући феномену који се назива „перзистенција” (који не треба мешати са резистенцијом пуног обима). Због својих бактериостатских својстава, раније се сматрало да су системи токсин-антитоксин типа II одговорни за перзистенцију, пребацивањем дела бактеријске популације у стање мировања. Међутим, ова хипотеза је у великој мери оповргнута.

Себична ДНК Системи токсин-антитоксин коришћени су као примери себичне ДНК у оквиру геноцентричног погледа на еволуцију. Теоретизовано је да локуси токсин-антитоксина служе само за одржавање сопствене ДНК, на штету организма домаћина. Стога, хромозомски системи токсин-антитоксин не би служили никаквој сврси и могли би се третирати као „отпадна ДНК”. На пример, показано је да је систем ccdAB кодиран у хромозому бактерије E. coli O157:H7 под негативном селекцијом, мада спором брзином због својих својстава стварања зависности.

Типови система

Тип I 300пкс|лево|мини|Систем токсин-антитоксин типа I hok/sok Системи токсин-антитоксин типа I ослањају се на спаривање база комплементарне антитоксинске РНК са иРНК токсина. Транслација иРНК се тада инхибира било деградацијом путем РНКазе III или блокирањем Шајн-Далгарно секвенце или места везивања рибозома на иРНК токсина. Често су токсин и антитоксин кодирани на супротним ланцима ДНК. Преклапајући регион на 5' или 3' крају између ова два гена је подручје укључено у комплементарно спаривање база, обично са између 19 и 23 суседна пара база.

Токсини система типа I су мали, хидрофобни протеини који испољавају токсичност оштећењем ћелијских мембрана. Мало је идентификованих интрацелуларних мета токсина типа I, вероватно због тешке природе анализе протеина који су отровни за своје бактеријске домаћине. Такође, детекција малих протеина била је изазовна због техничких проблема, што је проблем који тек треба решити анализом великих размера.

Системи типа I понекад укључују трећу компоненту. У случају добро окарактерисаног система hok/sok, поред hok токсина и sok антитоксина, постоји и трећи ген, назван mok. Овај отворени оквир читања скоро се у потпуности преклапа са оквиром читања токсина, а транслација токсина зависи од транслације ове треће компоненте. Стога је везивање антитоксина за токсин понекад поједностављење, а антитоксин се заправо везује за трећу РНК, која затим утиче на транслацију токсина.

Примери система Токсин Антитоксин Напомене Реф.hoksok Оригинални и најбоље проучени систем токсин-антитоксин типа I (на слици), који стабилизује плазмиде у бројним грам-негативним бактеријамаfstRNAII Први систем типа I идентификован у грам-позитивним бактеријамаtisBistR Хромозомски систем који се индукује у SOS одговоруdinQagrB Хромозомски систем који се индукује у SOS одговоруldrDrdlD Хромозомски систем у породици бактерија EnterobacteriaceaeflmAflmBХомолог hok/sok система, који такође стабилизује F плазмидibssibОткривен у интергенским регионима E. coli, антитоксин је првобитно назван QUAD РНКtxpA/brnTratAОсигурава наслеђивање skin елемента током спорулације код бактерије Bacillus subtilissymEsymRХромозомски систем који се индукује у SOS одговоруXCV2162ptaRNA1Систем идентификован код бактерије Xanthomonas campestris са неправилном филогенетском дистрибуцијом.timPtimRХромозомски систем идентификован код рода бактерија SalmonellaaapA1isoA1ТА модул типа I код бактерије Helicobacter pylori sprA1sprA1asСмештен унутар малог острва патогености бактерије S. aureus (SaPI). SprA1 кодира мали цитотоксични пептид, PepA1, који нарушава мембране S. aureus и еритроците домаћина.

Тип II 240пкс|десно|мини|Генетички контекст типичног локуса токсин-антитоксин типа II, произведен током биоинформатичке анализе Системи токсин-антитоксин типа II су генерално боље проучени од система типа I. У овом систему лабилни протеински антитоксин се чврсто везује и инхибира активност стабилног токсина. Највећа породица система токсин-антитоксин типа II је vapBC, за коју је кроз биоинформатичке претраге утврђено да представља између 37 и 42% свих предвиђених локуса типа II. Системи типа II организовани су у опероне са антитоксинским протеином типично смештеним узводно од токсина, што помаже да се спречи експресија токсина без антитоксина. Протеини су обично дугачки око 100 аминокиселина, и испољавају токсичност на више начина: CcdB, на пример, утиче на репликацију ДНК тровањем ДНК гиразе док су токсини из породице MazF ендорибонуклеазе које цепају ћелијске иРНК, тРНК или рРНК на специфичним мотивима секвенци. Најчешћа токсична активност је када протеин делује као ендонуклеаза, такође познат као интерфераза.

Једна од кључних карактеристика ТА система је ауторегулација. Комплекс протеина антитоксина и токсина се везује за оператор који је присутан узводно од ТА гена. То резултира репресијом ТА оперона. Кључ за регулацију су (i) диференцијална транслација ТА протеина и (ii) диференцијална протеолиза ТА протеина. Као што објашњава „Модел осетљив на транслацију” (енгл. Translation-responsive model), степен експресије је обрнуто пропорционалан концентрацији репресивног ТА комплекса. Концентрација ТА комплекса је директно пропорционална глобалној брзини транслације. Што је већа брзина транслације, више је ТА комплекса и мање је транскрипције ТА иРНК. Што је мања брзина транслације, мање је ТА комплекса и већа је експресија. Стога је транскрипциона експресија ТА оперона обрнуто пропорционална брзини транслације.